FPGA與DSl8820型溫度傳感器通信的實現(xiàn)

l 引言

ds18b20是dallas公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，采用3引腳t0-92型小體積封裝；溫度測量范圍為-55℃～+125~c，可編程為9位～12位a/d轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0．0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出。

一線式(1-wire)串行總線是利用1條信號線就可以與總線上若干器件進行通信。具體應(yīng)用中可以利用微處理器的i/o端口對ds18b20直接進行通信，也可以通過現(xiàn)場可編程門陣列(fpga)等可編程邏輯器件(pld)實現(xiàn)對1-wire器件的通信。

本文介紹利用actel公司的proasicplus系列fpga實現(xiàn)與ds18b20的通信功能。fpga可以將讀出ds18b20的48位id號和12位溫度測量結(jié)果保存在內(nèi)部寄存器中，微處理器可以隨時快速地從fpga寄存器中讀取這些信息。

一般在使用ds18b20時往往采用微處理器的i/o端口實現(xiàn)與該器件的通信，這種方法雖然比較容易和方便，但是，因為ds18b20的一線式串行總線對時序要求比較嚴格，因此，為了保證與ds18b20的通信可靠性，微處理器與ds18b20通信時需要采用關(guān)閉中斷的辦法，以防止操作時序被中斷服務(wù)破壞。

利用fpga實現(xiàn)與。ds18b20通信不存在被迫關(guān)閉中斷的情況，可以滿足對實時性要求嚴格的應(yīng)用要求。

2 proasicplus系列fpga簡介

proasicplus系列fpga是actel公司推出的基于flash開關(guān)編程技術(shù)的現(xiàn)場可編程門陣列，包括從7．5萬門的apa075型到100萬門的apal000型，具有高密度、低功耗、非易失、含有嵌入式ram及可重復(fù)編程等特點。

因為proasicplus系列fpga基于flash技術(shù)，利用flash開關(guān)保存內(nèi)部邏輯，因此不需要另外的器件。由于不需要上電配置過程，因此具備上電就立即工作的特點。不用配置器件，系統(tǒng)的保密性提高。

筆者在電力監(jiān)控的產(chǎn)品中利用apa150型fpga實現(xiàn)了邏輯控制、a/d采樣控制和fifo存儲等功能，并利用剩余的資源實現(xiàn)了ds18b20的通信功能。apa150在整個系統(tǒng)中充當協(xié)處理器，使主cpu從繁重的實時處理中解脫出來。

3 ds18b20簡介

3．1內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ds18b20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由以下幾部分組成：64位rom、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器th(溫度高)和tl(溫度低)、配置寄存器、暫存寄存器(scratchpad)、存儲器控制邏輯。dq為數(shù)字信號輸入/輸出端。

8位crc生成器可以完成通信時的校驗。

暫存寄存器有9個字節(jié)，包含溫度測量結(jié)果、溫度報警寄存器、crc校驗碼等內(nèi)容。

3．2操作步驟

對ds18b20的操作分為3個步驟：初始化、rom命令和ds18b20功能命令。

3．2．1初始化

fpga要與ds18b20通信，首先必須完成初始化。fpga產(chǎn)生復(fù)位信號，ds18b20返回響應(yīng)脈沖。

3．2．2rom命令

該步驟完成fpga與總線上的某一具體ds18b20建立聯(lián)系。rom命令有搜尋rom(search rom)、讀rom(read rom)、匹配rom(match rom)、忽略rom(skip rom)、報警查找等命令(alarm search)。

這里，fpga只連接1個ds18b20，因此只使用讀rom命令，來讀取ds18b20的48位id號。

3．2．3 ds18b20功能命令

fpga 在該步驟中完成溫度轉(zhuǎn)換(convertt)、寫暫存寄存器(write scratchpad)、讀暫存寄存器(read scratchpad)、拷貝暫存寄存器(copyscratchpad)、裝載暫存器寄存器(recall e2)、讀供電模式命令(read power supply)。

文中不用溫度報警功能，因此在本步驟中只需完成溫度轉(zhuǎn)換，然后通過讀暫存寄存器命令完成溫度轉(zhuǎn)化的結(jié)果。

3．3操作時序

ds18b20的一線式操作時序如圖2所示。從時序圖中可以看出，對ds18b20的操作時序要求比較嚴格。利用fpga可以實現(xiàn)這些操作時序。

4．1 ds18b20的操作模塊

fpga需要完成ds18b20的初始化、讀取ds18b20的48位id號、啟動ds18b20溫度轉(zhuǎn)換、讀取溫度轉(zhuǎn)化結(jié)果。讀取48位id號和讀取溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果過程中，fpga還要實現(xiàn)crc校驗碼的計算，保證通信數(shù)據(jù)的可靠性。

以上操作反復(fù)進行，可以用狀態(tài)機來實現(xiàn)。狀態(tài)機的各種狀態(tài)如下：

reset1：對ds18b20進行第一次復(fù)位，然后進入delay狀態(tài)，等待800μs后，進入cmd33狀態(tài)。

cmd33：對ds18b20發(fā)出0×33命令，讀取48位id值。

get_id：從ds18b20中讀取48位id值。

reset2：對ds18b20進行第二次復(fù)位，然后進入delay狀態(tài)等待800μs后，進入cmdcc狀態(tài)。

cmdcc：向ds18b20發(fā)出忽略rom命令，為進入下一狀態(tài)作準備。

cmd44：向ds18b20發(fā)出啟動溫度轉(zhuǎn)換命令，然后進入delay狀態(tài)等待900ms后進入下一狀態(tài)。

reset3：對ds18b20進行第三次復(fù)位。

cmdcc2：向ds18b20發(fā)出忽略rom命令，為了進入下一狀態(tài)作準備。

get_temp：從ds18b20中讀取溫度測量數(shù)值。

delay：等待狀態(tài)。

write_bit：向ds18b20中寫入數(shù)據(jù)位狀態(tài)。

read_bit：從ds18b20中讀取數(shù)據(jù)位狀態(tài)。在該狀態(tài)中每讀取1位數(shù)據(jù)，同時完成該數(shù)據(jù)位的crc校驗計算。所有數(shù)據(jù)都讀取后，還要讀取8位 crc校驗位。這8位校驗位也經(jīng)過crc校驗計算，如果通信沒有錯誤，總的crc校驗結(jié)果應(yīng)該是0。這時可將通信正確的數(shù)據(jù)保存到id和 temp_data寄存器中。

設(shè)計中采用verilog語言建立ds18b20操作模塊”ds18b20_proc”。在該模塊中實現(xiàn)以上的狀態(tài)機功能。該模塊的定義為module ds18b20 proc(sysclk，reset，dq_pim，id，temp_data，dq_ctl)。圖3示出是該模塊的仿真波形。

4．2 fpga與cpu的接口

在fpga中，要實現(xiàn)對ds18b20的通信處理，主模塊要實現(xiàn)對ds18b20_proc模塊的調(diào)用及建立與cpu之間的接口。

與cpu之間的接口通過建立若干寄存器實現(xiàn)。溫度測量值和48位id可以用4個16位寄存器保存。cpu通過讀取這些寄存器可以獲得溫度測量數(shù)值和48位id值。

cpu、fpga及ds18b20的連接原理如圖4所示。

在系統(tǒng)中，fpga可以分擔許多主處理器的工作，提高整體實時性，降低cpu處理的嚴格實時約束，從而降低cpu軟件處理的難度。同時，由于actel公司的proasicplus系列fpga的保密特性，可以增強產(chǎn)品知識產(chǎn)權(quán)的保護。

本設(shè)計應(yīng)用在電力監(jiān)控產(chǎn)品中。測量出的裝置內(nèi)部溫度用于電量測量精度補償和報警，對保證產(chǎn)品測量精度和可靠運行具有重要意義。48位id值用于產(chǎn)品的惟一編碼標識和以太網(wǎng)mac地址，便于產(chǎn)品生產(chǎn)、維護和管理。